一種便攜式智能跌倒檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and Implementation of the Portable Intelligent Fall Detector

胡云冰　童世華

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶　401331)

一種便攜式智能跌倒檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and Implementation of the Portable Intelligent Fall Detector

胡云冰童世華

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶401331)

摘要：針對(duì)我國(guó)日益突出的人口“老齡化”問(wèn)題以及普遍存在的“空巢”現(xiàn)象，為了避免老人發(fā)生跌倒時(shí)無(wú)人看護(hù)，以至于不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而無(wú)法及時(shí)獲得救助導(dǎo)致猝死等情況的發(fā)生，利用三軸跌倒算法和GPRS無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種便攜式智能跌倒檢測(cè)儀。通過(guò)測(cè)試表明，該跌倒檢測(cè)儀能對(duì)佩戴者是否發(fā)生跌倒進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，并及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)出本地聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警，具有報(bào)警準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景和良好的社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：跌倒算法GPRS加速度傳感器跌倒檢測(cè)跌倒監(jiān)護(hù)遠(yuǎn)程報(bào)警

Abstract：In accordance with the situations of population aging problem becomes increasingly prominent and the expanded empty nest phenomenon in our country, in order to avoid the aged people have fallen when unattended, even lead to sudden death because they can not be detected and aided timely, thus the portable intelligent fall detector has been designed and implemented by adopting 3-axis fall algorithm and GPRS wireless communication technology. Through tests, it is shown that the users with wearable sensor can be accurately detected when they fall, and local audible and visible alarm and remote alarm can be issued, the instrument features precise alarm rate and high stability, in addition, it possesses broad marketing prospects and good social benefits.

Keywords：Fall algorithmGPRSAcceleration sensorFall-detectionFall guardianshipRemote alarm

0引言

根據(jù)第六次全國(guó)人口普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)顯示，我國(guó)已經(jīng)步入老齡化社會(huì)。與此同時(shí)，“空巢老人”數(shù)量也急劇增加。當(dāng)老人們發(fā)生意外跌倒或突發(fā)疾病時(shí)，通常因沒(méi)能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而錯(cuò)失了最佳急救時(shí)間，從而造成巨大傷害或無(wú)法挽回的后果。因此，對(duì)獨(dú)居老人和空巢老人的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為一個(gè)社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)和亟待解決的問(wèn)題。

目前，市場(chǎng)上已有幾種針對(duì)老人跌倒進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警的裝置，但普遍存在價(jià)格過(guò)高、功能較少、“誤報(bào)”和 “漏報(bào)”幾率大等缺點(diǎn)[1]。針對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，本文提供了一種基于GPRS無(wú)線通信的便攜式智能跌倒檢測(cè)解決方案。該方案能對(duì)佩戴者是否發(fā)生跌倒進(jìn)行精確檢測(cè)，并發(fā)出本地和遠(yuǎn)程報(bào)警。與同類(lèi)產(chǎn)品相比，其價(jià)格低廉，具有自動(dòng)本地報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警以及跌倒空間定位功能，“誤報(bào)”和 “漏報(bào)”幾率極低，抗摔能力強(qiáng)，體積小，質(zhì)量輕，方便攜帶, 具有廣闊的市場(chǎng)前景。該跌倒檢測(cè)儀已申請(qǐng)技術(shù)保護(hù)，并已獲國(guó)家專(zhuān)利授權(quán)，專(zhuān)利號(hào)：ZL201220080508.3。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于GPRS通信的智能跌倒儀主要由跌倒監(jiān)護(hù)報(bào)警終端(跌倒檢測(cè)儀)、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)終端 (監(jiān)護(hù)手機(jī))和二者的通信網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分組成。跌倒遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1　跌倒遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖1所示跌倒檢測(cè)儀由使用者佩戴，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)佩戴者是否發(fā)生跌倒，當(dāng)佩戴者發(fā)生跌倒時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；監(jiān)護(hù)手機(jī)主要負(fù)責(zé)收取由跌倒檢測(cè)儀發(fā)出的報(bào)警信號(hào)；通信網(wǎng)絡(luò)GPRS主要負(fù)責(zé)將跌倒檢測(cè)儀發(fā)出的報(bào)警信號(hào)發(fā)送給監(jiān)護(hù)人手機(jī)。

該智能跌倒儀通過(guò)檢測(cè)佩戴者人體體位發(fā)生變化時(shí)所伴隨的劇烈的加速度變化，獲得實(shí)時(shí)信號(hào)，然后傳至核心處理模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，從而確定是否發(fā)生跌倒事件。若發(fā)生跌倒事件，檢測(cè)儀首先進(jìn)行本地的10 s的聲光報(bào)警，在10 s聲光預(yù)警內(nèi)如果沒(méi)有取消報(bào)警按鍵輸入，在聲光預(yù)警結(jié)束后自動(dòng)通過(guò)GPRS發(fā)送報(bào)警短信到指定的監(jiān)護(hù)人手機(jī)上，同時(shí)通過(guò)GPRS將報(bào)警信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)上進(jìn)行報(bào)警提示。

2三軸跌倒算法

本設(shè)計(jì)是通過(guò)三軸跌倒算法實(shí)現(xiàn)佩戴者是否發(fā)生跌倒檢測(cè)的。三軸跌倒算法是本設(shè)計(jì)跌倒檢測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。為了準(zhǔn)確區(qū)分人體跌倒和生活行為，本設(shè)計(jì)設(shè)地面坐標(biāo)系為固定的笛卡爾坐標(biāo)系OXYZ，其中Z軸垂直于地面；將跌倒檢測(cè)儀佩戴于人體正前方，人體軀干坐標(biāo)系為Oxyz，x軸指向軀干前方，y軸指向左方，z軸指向右方[2-3]。Oxyz和OXYZ示意圖如圖2所示。

圖2　人體軀干坐標(biāo)系Oxyz及地面坐標(biāo)系OXYZ

當(dāng)身體正常直立時(shí),坐標(biāo)系Oxyz與坐標(biāo)系OXYZ平行;當(dāng)?shù)箼z測(cè)儀佩戴者摔倒在地面時(shí)，作用在人體與地面的接觸部位的平均力為[4]：

(1)

3硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)跌倒檢測(cè)儀的功能需求分析，跌倒檢測(cè)儀系統(tǒng)的硬件部分主要包括核心處理模塊、加速度信息采集模塊、聲光報(bào)警模塊、按鍵輸入模塊、GPRS通信模塊、系統(tǒng)電源模塊等六個(gè)模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3所示的加速度信息采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集人體加速度信息；聲光報(bào)警模塊主要進(jìn)行本地聲光報(bào)警；按鍵輸入模塊負(fù)責(zé)在本地聲光報(bào)警時(shí)進(jìn)行取消報(bào)警或者系統(tǒng)出現(xiàn)漏報(bào)時(shí)進(jìn)行主動(dòng)報(bào)警；GPRS通信模塊主要負(fù)責(zé)本地聲光報(bào)警后遠(yuǎn)程報(bào)警信息的發(fā)送；核心處理器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信息的處理，以及相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)。

3.1　加速度信息采集模塊

本模塊主要通過(guò)對(duì)跌倒檢測(cè)儀佩戴者加速度的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)是否發(fā)生跌倒的檢測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，加速度信息采集選用的傳感器是ADI公司的三維加速度傳感器ADXL345。它可以在傾斜感測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度；可以從運(yùn)動(dòng)或者振動(dòng)中測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，能夠分辨僅為0.25°的傾角變化；可以檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，以及在任何軸上的加速度是否超過(guò)用戶設(shè)置的水平；可以檢測(cè)單擊和雙擊動(dòng)作。自由落體感測(cè)功能可以檢測(cè)該設(shè)備是否正在自由跌落[7-8]。

加速度傳感器ADXL345的控制和使用主要通過(guò)操作傳感器內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)IIC接口和SPI接口實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸上的加速度分量讀取。

3.2　無(wú)線通信模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)本地聲光報(bào)警后遠(yuǎn)程報(bào)警信息的發(fā)送。本設(shè)計(jì)采用GPRS通信方式，無(wú)線通信模塊選用的是華為的EM310。EM310模塊共有50個(gè)引腳，引腳的接口包括了EM310與外界相連接的所有接口，包括電源部分、數(shù)據(jù)通信部分、語(yǔ)音通信部分以及狀態(tài)指示部分。實(shí)現(xiàn)的主要功能是數(shù)據(jù)通信，主要包括了GPRS模塊的SIM卡與遠(yuǎn)程用戶的手機(jī)通信，以及GPRS模塊與系統(tǒng)核心處理器之間的串口通信[9]。

3.3　核心處理器模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊信息的處理。系統(tǒng)的核心處理器采用的是Luminary Micro公司推出的LM3S1138芯片。LM3S1138內(nèi)部集成了ARM CortexM-3的內(nèi)核、內(nèi)部存儲(chǔ)器(64 kB Flash和16 kB SRAM)、通用定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、同步串行接口(SSI)、UART接口、ADC采集器、模擬比較器、IIC模塊和GPIO口。

4系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

根據(jù)跌倒檢測(cè)儀的功能要求，跌倒檢測(cè)儀的系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化配置模塊、循環(huán)跌倒檢測(cè)判斷模塊、報(bào)警處理模塊、無(wú)線通信控制模塊部分等[10]。

系統(tǒng)初始化模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各種功能函數(shù)、各種外設(shè)接口和功能模塊等進(jìn)行初始化的配置。循環(huán)跌倒檢測(cè)判斷模塊主要是跌倒檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)對(duì)人體加速度的變化和身體姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，判斷人體是否發(fā)生跌倒。報(bào)警處理模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)檢測(cè)到人體跌倒后進(jìn)行各種報(bào)警的處理。無(wú)線通信控制實(shí)現(xiàn)在報(bào)警處理后進(jìn)行無(wú)線通信，控制無(wú)線通信模塊發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息。

根據(jù)跌倒檢測(cè)儀系統(tǒng)的功能需求分析可知，跌倒檢測(cè)儀的系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程主要是在系統(tǒng)初始化完成以后，在系統(tǒng)中通過(guò)循環(huán)監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)人體的加速度和身體姿態(tài)進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到人體的加速度變化和身體姿態(tài)變化出現(xiàn)異常時(shí)，首先進(jìn)行本地聲光預(yù)警提示，在本地預(yù)警提示正常的結(jié)束后，系統(tǒng)將控制系統(tǒng)中的無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警和空間定位信息的處理和發(fā)送。跌倒檢測(cè)的主要流程如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)主流程圖

5系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)功能測(cè)試，跌倒檢測(cè)儀完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能：若發(fā)生跌倒事件，跌倒檢測(cè)儀首先進(jìn)行本地10 s聲光報(bào)警，在10 s聲光預(yù)警內(nèi)如果沒(méi)有取消報(bào)警按鍵輸入，則在聲光預(yù)警結(jié)束后自動(dòng)通過(guò)GPRS發(fā)送報(bào)警短信到指定的監(jiān)護(hù)人手機(jī)上。

跌倒檢測(cè)儀通過(guò)了耐溫測(cè)試、跌落高度測(cè)試、電磁兼容性測(cè)試、抗震測(cè)試以及誤報(bào)率測(cè)試，耐溫值為-40～80 ℃；跌落高度值為0～1 200 mm。模擬測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。本設(shè)計(jì)展現(xiàn)出高可靠性、高穩(wěn)定性、高抗干擾性、高抗摔性、誤報(bào)率極低等特點(diǎn)。

表1　正常日常生活活動(dòng)模擬測(cè)試數(shù)據(jù)表

表2　各種跌倒模擬測(cè)試數(shù)據(jù)表

6結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)三軸跌倒算法和GPRS無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種便攜式智能跌倒檢測(cè)儀。經(jīng)測(cè)試表明，該跌倒檢測(cè)儀能夠在佩戴者發(fā)生跌倒時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)出本地聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警。與市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品相比，本設(shè)計(jì)作品具有報(bào)警準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗摔性好、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、佩戴方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)得到國(guó)家專(zhuān)利局認(rèn)可，并已進(jìn)行專(zhuān)利授權(quán)。該跌倒檢測(cè)儀具有十分廣闊的市場(chǎng)前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TH89

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502021

重慶市教委科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：CY120301)。

修改稿收到日期：2013-11-28。

第一作者胡云冰(1979-)，男，2007年畢業(yè)于重慶大學(xué)軟件工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。